解密Micro-LED三種不同的驅動方式

Micro-LED是電流驅動型發光器件,其驅動方式一般只有兩種模式:無源選址驅動(PM:Passive Matrix,又稱無源尋址、被動尋址、無源驅動等等)與有源選址驅動(AM:Active Matrix,又稱有源尋址、主動尋址、有源驅動等),本文還將分析一種 「半有源」選址驅動方式。這幾種模式具有不同的驅動原理與應用特色,下面將透過電路圖來具體介紹其原理。

什麼是PM驅動模式?

無源選址驅動模式把陣列中每一列的LED像素的陽極(P-electrode)連接到列掃瞄線(Data Current Source),同時把每一行的LED像素的陰極(N-electrode)連接到行掃瞄線(Scan Line)。

當某一特定的第Y列掃瞄線和第X行掃瞄線被選通的時候,其交叉點(X,Y)的LED像素即會被點亮。整個屏幕以這種方式進行高速逐點掃瞄即可實現顯示畫面,如圖1所示。[1,2]這種掃瞄方式結構簡單,較為容易實現。

但不足之處是連線複雜(需要X+Y根連線),寄生電阻電容大導致效率低,像素發光時間短(1場/XY)從而導致有效亮度低,像素之間容易串擾,並且對掃瞄信號的頻率需求較高。

另外一種優化的無源選址驅動方式是在列掃瞄部分加入鎖存器,其作用是把某一時刻第X行所有像素的列掃瞄信號(Y1, Y2… … Yn)提前存儲在鎖存器中。

當第X行被選通後,上述的Y1-Yn信號同時加載到像素上[3]。這種驅動方式可以降低列驅動信號頻率,增加顯示畫面的亮度和質量。但仍然無法克服無源選址驅動方式的天生缺陷:連線龐雜,易串擾,像素選通信號無法保存等。而有源選址驅動方式為上述困難提供了良好的解決方案。

什麼是AM驅動模式?

在有源選址驅動電路中,每個Micro-LED像素有其對應的獨立驅動電路,驅動電流由驅動晶體管提供。基本的有源矩陣驅動電路為雙晶體管單電容(2T1C:2 Transistor 1 Capacitor)電路,如圖2所示[4]。


圖2 有源選址驅動方式

每個像素電路中使用至少兩個晶體管來控制輸出電流,T1為選通晶體管,用來控制像素電路的開或關。T2是驅動個晶體管,與電壓源聯通並在一場(Frame)的時間內為Micro-LED提供穩定的電流。

該電路中還有一個存儲電容C1來儲存數據信號(Vdata)。當該像素單元的掃瞄信號脈衝結束後,存儲電容仍能保持驅動晶體管T2柵極的電壓,從而為Micro-LED像素源源不斷的驅動電流,直到這個Frame結束。

2T1C驅動電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結構,它結構較為簡單並易於實現。但由於其本質是電壓控制電流源(VCCS),而Micro-LED像素是電流型器件,所以在顯示灰度的控制方面會帶來一定的難度,這一點我們在後面的《Micro-LED的彩色化與灰階》部分中會討論。

劉召軍博士課題組曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路,採用電流控制電流源(CCCS)的方式,在實現灰階方面具有優勢[5]。

什麼是「半有源」選址驅動方式?

另外需要提及的是一種 「半有源」選址驅動方式[6]。這種驅動方式採用單晶體管作為Micro-LED像素的驅動電路(如圖3所示),從而可以較好地避免像素之間的串擾現象。

三大驅動方式對比

與無源選址相比,有源選址方式有著明顯的優勢,更加適用於Micro-LED這種電流驅動型發光器件。現詳細分析如下:

① 有源選址的驅動能力更強,可實現更大面積的驅動。而無源選址的驅動能力受外部集成電路驅動性能的影響,驅動面積於分辨率受限制。

② 有源選址有更好的亮度均勻性和對比度。在無源選址方式中,由於外部驅動集成電路驅動能力的有限,每個像素的亮度受這一列亮起像素的個數影響。一般來說,同一列的Micro-LED像素共享外部驅動集成電路的一個或多個輸出引腳的驅動電流。

所以,當兩列中亮起的像素個數不一樣的時,施加到每個LED像素上的驅動電流將會不一樣,不同列的亮度就會差別很大。這個問題將會更加嚴重地體現在大面積顯示應用中,如LED電視與LED大屏幕等。同時隨著行數和列數的增加,這個問題也會變得更嚴峻。

③ 有源選址可實現低功耗高效率。大面積顯示應用需要比較大的像素密度,因此就必須儘可能減小電極尺寸,而驅動顯示屏所需的電壓也會極大的上升,大量的功率將損耗在行和列的掃瞄線上,從而導致效率低下。

④ 高獨立可控性。無源選址中,較高的驅動電壓也會帶來第二個麻煩,即串擾,也就是說,在無源選址LED陣列中,驅動電流理論上只從選定的LED像素透過,但周圍的其他像素將會被電流脈衝影響,最終也會降低顯示質量。有源選址方式則透過由選通晶體管和驅動晶體管構成的像素電路很好的避免了這種現象。

⑤ 更高的分辨率。有源選址驅動的更適用於高PPI高分辨率的Micro-LED顯示。

而第三種「半有源」驅動雖然可以較好地避免像素之間的串擾現象,但是由於其像素電路中沒有存儲電容,並且每一列的驅動電流信號需要單獨調製,並不能完全達到上面列出的有源選址驅動方式的全部優勢。

以藍寶石襯底上外延生長的藍光Micro-LED為例,像素和驅動晶體管T2的連接方式有圖4所示的4種。但由於LED外延生長結構是p型氮化鎵(GaN)在最表面而n型氮化鎵在底層,如圖5所示。

從製備工藝角度出發驅動晶體管的輸出端與Micro-LED像素的p電極連接較為合理,即圖4中的(a)和(c)。圖4(a)中Micro-LED像素連接在N型驅動晶體管的源極(Source)。由外延生長(Epitaxial Growth)、製備工藝、及器件老化所產生的不均勻性所導致的Micro-LED電學特性的不均勻性將會直接影響驅動晶體管的VGS,從而造成顯示圖像的不均勻。

而圖4(c)中的Micro-LED像素連接在P型驅動晶體管的漏極(Drain),可以避免上述影響,其電流-電壓關係圖6所示。因此,有P管像素電路驅動Micro-LED較為適宜。


                   圖6 Micro-LED與驅動晶體管的電流-電壓關係

 

參考文獻:
[1]. H. X. Jiang, et al., Applied Physics Letters, 78 (9), p. 1303-1305, 2001.
[2]. C. W. Keung and K. M. Lau, EMC 2006 (PA, USA).
[3]. D. Peng, et al, IEEE J. Display Technol., Vol. 12, Issue 7, pp. 742-746, 2016.
[4]. K. Zhang, et al, IEEE T. Electron. Dev., to appear.
[5]. Z. J. Liu, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 25, no. 23, 2013.
[6]. K. Chilukuri, et al, Semiconductor Science and Technology, 22 (2), p.29, 2007.

 

註:本文由中山大學電子信息工程學院教授劉召軍博士,廣東順德中山大學卡內基隆大學國際聯合研究院碩士研究生張珂撰寫,授權LEDinside發佈。

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